Свойства нитрата кальция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Цель работы и задачи

1. Теоретическая часть

1.1 Строение и хим связь

1.2 Физико-хим св-ва

1.3 Получение

1.4 Применение

2. Экспериментальная часть

2.1 Приготовление растворов

2.2 Определение фазового состава растворов

Вывод

Литература

Приложение

Цель работы и задачи

Цель работы: исследовать свойства нитрата кальция, выявить оптимальную концентрацию нитрата кальция в водном растворе, для дальнейшего применения в составе охлаждающей жидкости.

Задачи: 1) изучить методы работы с точными приборами(рефрактометр, аналитические весы, цифровой термометр)

2) методом рефрактометрии определить зависимость показателя преломления фаз системы вода-нитрат кальция при отрицательной температуре от концентрации.

3) выявить оптимальную концентрацию нитрата кальция в водном растворе, чтоб при отрицательных температурах концентрация соли в осадке была минимальна.

1. Теоретическая часть

1.1 Строение и химическая связь

Кальция нитрат (кальциевая селитра, азотнокислый кальций, кальций динитрат) -- неорганическая соль азотной кислоты. Соединение сильно гигроскопично, поэтому его хранят без доступа влаги. Химическая формула Са(NО₃)₂.

Условно нитраты могут быть разделены на соединения с преимущественно ковалентным типом связи (соли Be, Cr, Zn, Fe и др. переходных металлов) и с преимущественно ионным типом связи (соли щелочных и щелочно-земельных металлов). Для ионных нитратов характерны более высокая термическая устойчивость, преобладание кристаллических структур более высокой симметрии и отсутствие расщепления полос нитрат-иона в ИК спектрах. Ковалентные нитраты имеют более высокую растворимость в орг. растворителях, более низкую термическую устойчивость, их ИК спектры носят более сложный характер.

1.2 Физико-химические свойства вещества

Внешний вид Са(NO₃)₂ : бесцветные кубические кристаллы

Молекулярная масса: 164,09 а.е.м.

Температура плавления : 561°C

Температура разложения : 561°C

Таблица 1.Растворимость нитрата кальция в некоторых растворителях

Растворитель	Растворимость в г/100г	t?C
ацетон	16,8	20
вода	102	0
вода	114,6	10
вода	128,8	20
вода	138,1	25
вода	149,4	30
вода	189	40
вода	359	60
вода	363	100
вода	376	150
вода	413	200
метанол	134	10
метанол	144	40

Вкуса, запаха не имеет, гигроскопичен.

Плотность:2,36 (20°C, г/см³)

Стандартная энтальпия образования ДH :-937,2 кДж/моль

Стандартная энергия Гиббса образования ДG:-742 кДж/моль

Стандартная энтропия образования S:193,3 Дж/моль·K

Стандартная мольная теплоемкость C_p :149,33 Дж/моль·K

Энтальпия плавления ДH_пл :21,3 кДж/моль

Вследствие сильной гигроскопичности, даже при обычных температурных условиях, нитрат кальция, присоединяя воду, переходит в гидратную форму. Из гидратов существуют моно-, ди-, три- и тетрагидрат, причем последний Са(NO₃)₂?4H₂O является стабильным при обычной температуре. При температуре выше 40^оС образуется тригидрат.

Гидратированные нитраты отличаются от безводных тем, что в их кристаллич. структурах ион металла в большинстве случаев связан с молекулами воды, а не с ионом NO^-₃. Поэтому они лучше, чем безводные нитраты, растворяются в воде, но хуже- в органических растворителях.

Нитраты токсичны. Вызывают отек легких, кашель, рвоту, острую сердечно- сосудистую недостаточность и др. Смертельная доза нитратов для человека 8-15 г, допустимое суточное потребление 5 мг/кг.

Физико-химические свойства Са(NO₃)₂?4H₂O,используемого в химической практике.

Внешний вид: бесцветные моноклинные кристаллы

Молекулярная масса : 236,15 а.е.м.

Температура плавления : 42,7°C

Температура разложения : 100°C

Продукты термического разложения: кальция нитрат, вода

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

ацетон: растворим

вода: легко растворим

этанол: растворим

Вкуса, запаха нет, гигроскопичен

Плотность:1,82 (20°C, г/см³)

Стандартная энтальпия образования ДH :-2131,2 кДж/моль

Стандартная энергия Гиббса образования ДG :-1700,8 кДж/моль

Стандартная энтропия образования S:339 Дж/моль·K

При 151^оС соль полностью теряет воду.

Таблица 2. Зависимость температуры замерзания раствора нитрата кальция от концентрации.

Плотность раствора кг/л при 20°С	Содержание безводного Нитрата Кальция в 1 литре раствора, кг	Температура замерзания раствора, °С		Плотность раствора кг/л при 20°С	Содержание безводного Нитрата Кальция в 1 литре раствора, кг	Температура замерзания раствора, °С
1,02	0,030	-0,8		1,22	0,317	-11,9
1,04	0,058	-1,7		1,24	0,347	-13,6
1,06	0,087	-2,6		1,26	0,380	-15,6
1,08	0,113	-3,2		1,28	0,412	-16,8
1,10	0,142	-4,0		1,30	0,448	-18,0
1,12	0,170	-5,1		1,32	0,473	-19,2
1,14	0,197	-6,0		1,34	0,503	-20,4
1,16	0,227	-7,2		1,36	0,536	-21,6

1.3 Получение нитрата кальция

А Получение нитрата кальция нейтрализацией мела или известняка азотной кислотой.

Сырье.

Сырьем служат известняк (реже мел) и азотная кислота. Содержание основного вещества CaCO₃ в известняке (меле) колеблется от 90 до 98%. Содержание примесей, состоящих из MgCO₃, CaCO₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, силикатов и др., в зависимости от месторождения известняка (мела) также различно.

Азотная кислота для получения нитрата кальция употребляется слабая в пределах 30-45%.

Сущность метода.

Нейтрализация углекислого кальция азотной кислотой протекает по следующей реакции:

СaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂.

Полученные растворы нитрата кальция декантируются (иногда фильтруются) и выпариваются; после охлаждения и застывания получается готовый продукт.

Часто нитрат кальция смешивается с другими продуктами в целях улучшения его физических свойств.

Б Получение нитрата кальция поглощением хвостовых нитрозных газов известковым молоком.

Сырье.

Сырьем служат известковое молоко с содержанием окиси кальция 110-130г/л и хвостовые нитрозные газы с содержанием 1-2% NO.

Известковое молоко готовится из доброкачественной извести (содержание активной CaO не менее 75-85%).

Сущность метода.

Хвостовые нитрозные газы после кислой абсорбции поглощаются известковым молоком. Вначале образуется смесь нитрата и нитрита кальция по уравнению:

2N₂O₄ + 2Ca(OH)₂ = Ca(NO₃)₂ + Ca(NO₂)₂ + 2H₂O.

При дальнейшей подаче нитрозных газов происходит разложение нитрита с образованием нитрата. Механизм процесса может быть представлен следующими реакциями:

2NO₂ + H₂O = HNO₂ + HNO₃ ;

Ca(OH)₂ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂O;

Ca(OH)₂ + 2HNO₂ = Ca(NO₂)₂ + 2H₂O.

Образующийся нитрит кальция частично реагирует с NO₂ , переходя в нитрат:

Ca(NO₂)₂ + 2NO₂ = Ca(NO₃)₂ + 2NO.

Одновременно получается небольшое количество элементарного азота по уравнению:

2Ca(NO₂)₂ + 2NO₂ = 2Ca(NO₃)₂ + N₂

Соотношение получаемого нитрита к нитрату зависит от степени окисления газа. По мере прохождения газов через систему поглотительных скрубберов, отношение NO к NO₂ в нитрозных газах увеличивается, и поэтому в конце системы, где содержание NO₂ невелико, образуется большее количество нитрита.

Получаемые щелока подвергаются инвертированию азотной кислотой, после чего растворы нитрата кальция перерабатываются по схемам, описанным выше.

1.4 Применение

1) В сельском хозяйстве. Кальциевая селитра является физиологическим щелочным удобрением, пригодным для всех почв и прежде всего для закисленных почв. В сельском хозяйстве применяют как азотное удобрение. Выпускают в гранулированном виде; товарный продукт должен содержать не менее 15,5 % азота, кроме того, к нему добавляют в процессе производства 4--7 % нитрата аммония для уменьшения гигроскопичности удобрения; содержание влаги не должно превышать 15 %. Нитрат кальция вносят под все культуры. Наиболее эффективен на кислых почвах, особенно для весенней подкормки озимых. Кальциевая селитра -- единственное полностью усваиваемое растениями удобрение, восполняющее потери водорастворимого (усваиваемого растениями) кальция в почве. Потери кальция, в основном, обусловлены выносом с урожаем сельскохозяйственных культур (от 20 до 350 кг/га). И если вынос фосфора, серы и азота восполняется такими широко применяемыми удобрениями, как аммиачная селитра, сульфат аммония, суперфосфат и др., то восполнение потерь водорастворимого кальция в почве при этом не происходит. А между тем кальций регулирует поступление питательных веществ в растение. Кальций играет ключевую роль в формировании клеточных стенок и мембран, улучшает окраску и качество плодов, поэтому особенно важен для быстрорастущих культур. Кальций не перераспределяется внутри растений, т.е. не перемещается от старых листьев к молодым, поэтому почва всегда должна содержать достаточное количество этого вещества в доступной для растений форме. А, кроме того, кальций -- это важнейший строительный материал в организмах животного мира и в человеке, получающих его по пищевой цепочке от растений.

2)В пиротехнике. Несмотря на то, что нитрат кальция в смеси с горючими веществами способен давать недорогой источник кирпично-красного пламени, применение его в этом качестве крайне ограничено из-за сильной гигроскопичности.

3) Для изготовления бетона. Нитрат кальция одна из немногих добавок прошедших проверку машиной стройиндустрии и научно-исследовательских институтов бывшего СССР, тысячи испытаний на различных цементах, инертных, в разных условиях и комплексах, десятилетия наблюдений за свойствами бетонов модифицированных Нитратом Кальция, а также комплексом Нитрат Кальция + Нитрит Кальция, практически не оставили белых пятен в понимании свойств бетонов с введенным Нитратом Кальция. Благодаря тотальной проверке, показывающей превосходные результаты, Нитрат Кальция присутствует в большинстве тематических ГОСТов и рекомендаций. Немногие вещества вводимые в бетонные и растворные системы с целью улучшения их свойств могут похвастать такой детальностью изучения, как Нитрат Кальция. Уникальность Нитрата Кальция заключается в том, что он в своей структуре имеет активный ион Кальция (Ca²⁺), а Кальций , кремний и вода, как известно, являются основными материалами формирующими структуру цементного камня. Уникальный симбиоз одних и тех же ионов добавки NITCAL и продуктов гидратации цемента позволяет получить равномерную, полноценно сформированную (здоровую) структуру цементного камня, а благодаря редкой особенности воздействия на гидратацию двукальцивого силиката и реакции превращения эпоксида с аммонием в амин позволяет значительно увеличивать динамику набора прочности бетонов в течение долгих лет.

4)В составе охладительной жидкости.

Рис.1 Диаграмма состояния Ca(NO₃)₂ - H₂O

Одновременное присутствие кристаллов соли, льда и раствора приводит к поддержанию постоянной (эвтектической) температуры до тех пор, пока одна из фаз не исчезнет.

Следовательно, появляется возможность использовать модифицированный раствор нитрата кальция дополнительно в качестве охлаждающей жидкости в производстве теплоносителей для промышленных установок.

2. Экспериментальная часть

2.1 Приготовление растворов различной концентрации

Формула расчета массы соли для раствора необходимой концентрации, с учетом того, что соль гидратированная.

Для нахождения массы необходимо значение количества вещества. Возьмем его за х. Для приготовления каждого раствора было взято 50 г воды.

Аналогично рассчитано для всех остальных концентраций.

2.2 Определение фазового состава растворов при t=-5?C

После приготовления растворов нужных концентраций их помещали в сосуд, а сосуд в изолированный хладотермостат на основе элементов Пельтье. Раствор в сосуде постоянно перемешивали. Температуру измеряли при помощи цифрового термометра Testo 735-2, который способен измерять температуру в пределах от -200…+400 , с погрешностью ±0,03.Опыт проводился при условиях -5?С. Эту температура поддерживалась в хладотермостате при помощи регулировки силы тока и напряжения установки. Время установления равновесия в каждой системе определяли, отбирая пробы насыщенного раствора и анализируя их химический состав. Равновесие устанавливалось примерно через 30 мин. После отстаивания смеси отбирались три пробы и 2-3 пробы осадка. Доводили их до состояния комнатной температуры и измеряли показатель преломления жидкой (L) и твёрдой фазы (S) на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n_D в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 ^-10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала.

Таблица 3. Зависимость показателей преломления от концентрации растворов.

№	Исходная концентрация, масс %	Жидкая фаза-L	Твердая фаза- S	nD23 Показатель преломления жидкой фазы.	nD23 Показатель преломления твердой фазы.	Ca(NO3)2 в L, масс %	Ca(NO3)2 в S , масс %
	Ca(NO3)2	H2O
1	5	95	+	+	1,3333	1,3395	0	5,0
2	10	90	+	+	1,3441	1,3394	5,9	4,1
3	15	85	+	+	1,3553	1,3501	13,0	10,5
4	20	80	+	-	1,3625	-	20	-
5	25	75	+	-	1,3695	-	25	-
6	30	70	+	-	1,3700	-	30	-
7	35	65	+	-	1,7540	-	35	-
8	40	60	+	-	1,8152	-	40	-
9	45	55	+	-	1,8995	-	45	-
10	50	50	+	-	1,9569	-	50	-

Рисунок 2. Зависимость показатель преломления от количества растворов в системе Ca(NO₃)₂ - H₂O при температуре -5?C

Вывод

1) Исследована зависимость показателя преломления растворов нитрата кальция от их концентраций.

2) Нитрат кальция может быть использован в составе охлаждающих жидкостей.

3) Найдена оптимальная концентрация нитрата кальция в растворе, после замораживания которого при -5?С образуется минимальное количество кристаллов- 15%.

Литература

1) Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 71

2) http://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрат_кальция

3) Addison С. С., Logan N.. Anhydrous metal nitrates, "Advances Inorganic Chemistry and Radiochemistry", 1964, v. 6, p. 72-142. П.М. Чукуров.

4) http://www.bhz.kosnet.ru/Rus/Prod/Agrprom/Cal-2H2Oud.html

5) http://tvibo.ru/nitcal

6) http://www.nha.su/shop/UID_14445.html

7)М. А. Миниович. Соли азотной кислоты (нитраты). 1946. 78 с.

8) Киргинцев А.Н. Растворимость неорганических веществ в воде. /А.Н. Киргинцев, Л.Н. Трушникова, В.Г. Лаврентьева. Справочник// Изд-во "Химия". Л., 1972. - 154с.

9) С.И. Нифталиев, И.В. Кузнецова, О.А. Козадерова, Г.В. Клоков, В.В. Окшин, А.В.Мельник. Модифицирование и применение нитрат-содержащего раствора - отхода производства минерального удобрения.

10) http://www.eurolab.ru/refraktometriya

Приложение

нитрат кальций рефрактометрия концентрация

Технические характеристики приборов, используемых в эксперименте.

1)Рефрактометр Аббе лабораторный ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления n_D и средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел. Имеет дополнительную шкалу "Brix".

Рефрактометр может применяться:

В пищевой промышленности

- для контроля качества пива, вин, коньяков, водок и ликеров;

- для определения массовой доли растворимых сухих веществ (%, Brix,) в продуктах переработки

плодов и овощей, в напитках, сиропах, консервах, рассолах;

- для измерения процентного содержания жира в твердых продуктах питания;

- при определении влажности меда и т.д.

В медицинских учреждениях

- для определения белка в сыворотке крови с

помощью таблицы Рейса;

- для определения плотности мочи, субретинальной жидкости глаза;

- для определения концентрации лекарств.

В фармацевтической промышленности

- для исследования концентрации растворов различных лекарственных препаратов.

При обслуживании автомобилей, тракторов, судов

- для определения сорта моторных топлив, охлаждающих жидкостей.

При обслуживании авиационной техники

- для определения с большей точностью объемной концентрации противокристаллизационной жидкости "ИМ".

Технические характеристики

Диапазон измерения: - показателя преломления nD - сухих веществ по сахарозе (Brix), %	1,2 ... 1,7 0 ... 85
Основная допустимая погрешность измерений: - по показателю преломления nD - по сухим веществам, %	+1·10-4 + 0,15
Габаритные размеры, мм	170х115х270
Масса, кг	3,1

2) Цифровой термометр Testo 735-2 Прочный, надежный и компактный измерительный прибор с разъемом для высокоточного зонда Pt100, 2 разъемами для быстродействующих термопарных зондов. Результаты измерений не более 3-х доп. зондов температуры отображаются на высокочетком дисплее. Погрешность измерений 0.05 °C с разрешением 0.001 °C достигается с помощью сменного погружного/проникающего зонда Pt100. Аппарат подходит для использования в качестве эталонного прибора.

Память прибора позволяет сохранить до 10,000 значений

Отображение, сохранение и печать данных дифференциальной температуры, макс/мин/среднего значений

Акустический сигнал тревоги при превышении предельных значений

Цикличность измерений от 1 раза в 0,5 секунд до 24 часов

Диапазон измерений: -200 … +1000 °C

Погрешность:

±0.3 °C (-60 … +60 °C)

±(0.2 °C + 0.3% от изм. знач.) (в ост. диапазоне)

Разрешение: 0.1 °C

Тип зонда Тип S PT10RH РТ

Диапазон измерений: 0 … +1760 °C

Погрешность: ±1 °C

Разрешение: 1 °C

Размещено на Allbest.ru